模拟调制系统

第五章模拟调制系统知识结构-调制的基本概念和作用、分类-幅度调制的主要类型，及各自的调制解调方法、波形、频谱、带宽、及抗噪声性能-角度调制的主要类型，及各自的调制解调方法、功率、带宽、及抗噪声性能教学目的-了解模拟调制及其解调的原理和系统的抗噪声性能-掌握各种已调信号的时域波形和频谱结构，系统的抗噪声性能-了解一些常用的调制解调芯片教学重点-信噪比增益-已调信号表达式的写法及分析、波形画法及分析-卡森公式教学难点-信噪比增益-角度调制中最大频偏的概念和计算教学方法及课时-多媒体授课（6学时）（3个单元）备注（在上课之前最好让学生复习一下“高频电路”中相关内容）AM和DSB在高频电路中如果已经讲的比较细，此处可略讲。单元七（2学时）§5.1引言（调制的作用和分类）知识要点：调制的过程、作用、分类我们在第一章已经学过了模拟通信系统和数字频带通信系统的模型。从模型图中可以看出，它们都需要进行“调制”。那么什么是调制？为什么要进行调制？调制有哪些分类呢？我们下面逐一介绍。§5.1.1调制的概念（过程）所谓调制，就是在发送端将要传送的信号附加在高频振荡信号上，也就是使高频振荡信号的某一个或几个参数随基带信号的变化而变化。其中要发送的基带信号又称“调制信号”；高频振荡信号又称“被调制信号”。§5.1.2调制的作用调制的主要作用有三个：1、将基带信号转化成利于在信道中传输的信号；2、改善信号传输的性能（如FM具有较好的信噪比性能）3、可实现信道复用，提高频带利用率。§5.1.3调制的分类分2大类：正弦波调制、脉冲调制正弦波调制又可分为模拟调制和数字调制。其中模拟调制又分调幅和调角2类，这是我们本章的主要内容。§5.2幅度调制与解调知识要点：AMDSBSSBVSB的原理及波形频谱的画法带宽计算§5.2.1幅度调制的一般模型幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。幅度调制器的一般模型如图5-1所示。图5-1幅度调制器的一般模型图中，为调制信号，为已调信号，为滤波器的冲激响应，则已调信号的时域和频域一般表达式分别为（式5-1）（式5-2）式中，为调制信号的频谱，为载波角频率。由以上表达式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制，相应地，幅度调制系统也称为线性调制系统。在图5-1的一般模型中，适当选择滤波器的特性，便可得到各种幅度调制信号，例如：常规双边带调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB-SC）、单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）信号等。§5.2.2常规双边带调幅（AM）1.AM信号的表达式、频谱及带宽在图5-1中，若假设滤波器为全通网络（＝1），调制信号叠加直流后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带调幅（AM）信号。AM调制器模型如图5-2所示。图5-2AM调制器模型AM信号的时域和频域表示式分别为：（式5-3）（式5-4）式中，为外加的直流分量；可以是确知信号也可以是随机信号，但通常认为其平均值为0，即。AM信号的典型波形和频谱分别如图5-3（a）、（b）所示，图中假定调制信号的上限频率为。显然，调制信号的带宽为。图5-3AM信号的波形和频谱由图3-3（a）可见，AM信号波形的包络与输入基带信号成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。但为了保证包络检波时不发生失真，必须满足，否则将出现过调幅现象而带来失真。AM信号的频谱是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即（式5-5）式中，为调制信号的带宽，为调制信号的最高频率。2.AM信号的解调调制过程的逆过程叫做解调。AM信号的解调是把接收到的已调信号还原为调制信号。AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波解调。（1）相干解调由AM信号的频谱可知，如果将已调信号的频谱搬回到原点位置，即可得到原始的调制信号频谱，从而恢复出原始信号。解调中的频谱搬移同样可用调制时的相乘运算来实现。相干解调的原理框图如图5-4所示。图5-4调幅相干解调原理图将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，得由上式可知，只要用一个低通滤波器，就可以将第1项与第2项分离，无失真的恢复出原始的调制信号（式5-6）相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位的条件得不到满足，则会破坏原始信号的恢复。（2）包络检波法由的波形可见，AM信号波形的包络与输入基带信号成正比，故可以用包络检波的方法恢复原始调制信号。包络检波器一般由半波或全波整流器和低通滤波器组成，如图5-5所示。图5-5包络检波器一般模型图5-6为串联型包络检波器的具体电路及其输出波形，电路由二极管D、电阻R和电容C组成。当RC满足条件时，包络检波器的输出与输入信号的包络十分相近，即（式5-7）包络检波器输出的信号中，通常含有频率为的波纹，可由LPF滤除。图5-6串联型包络检波器电路及其输出波形包络检波法属于非相干解调法，其特点是：解调效率高，解调器输出近似为相干解调的2倍；解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位的载波信号，大大降低实现难度。故几乎所有的调幅（AM）式接收机都采用这种电路。采用常规双边带幅度调制传输信息的好处是解调电路简单，可采用包络检波法。缺点是调制效率低，载波分量不携带信息，但却占据了大部分功率，白白浪费掉。如果抑制载波分量的传送，则可演变出另一种调制方式，即抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）。§5.2.3抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）1.DSB信号的表达式、频谱及带宽在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络（＝1），调制信号中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号，或称抑制载波双边带（DSB-SC）调制信号，简称双边带（DSB）信号。DSB调制器模型如图5-7所示。可见DSB信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，其时域和频域表示式分别为图5-7DSB-SC调制模型（式5-8a）（式5-8b）DSB信号的包络不再与成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与AM信号相同，也为基带信号带宽的两倍，即（式5-9）2.DSB信号的解调DSB信号只能采用相干解调，其模型与AM信号相干解调时完全相同，如图5-4所示。此时，乘法器输出经低通滤波器滤除高次项，得（式5-10）即无失真地恢复出原始电信号。抑制载波的双边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。缺点是占用频带宽度比较宽，为基带信号的2倍。§5.2.4单边带调幅（SSB）由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。这就又演变出另一种新的调制方式――单边带调制（SSB）。1.SSB信号的产生产生SSB信号的方法很多，其中最基本的方法有滤波法和相移法。用滤波法实现单边带调制的原理图如图5-9所示，图中的为单边带滤波器。产生SSB信号最直观方法的是，将设计成具有理想高通特性或理想低通特性的单边带滤波器，从而只让所需的一个边带通过，而滤除另一个边带。产生上边带信号时即为，产生下边带信号时即为。图5-9SSB信号的滤波法产生显然，SSB信号的频谱可表示为（式5-11）用滤波法形成SSB信号，原理框图简洁、直观，但存在的一个重要问题是单边带滤波器不易制作。这是因为，理想特性的滤波器是不可能做到的，实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归一化值有关，过渡带的归一化值愈小，分割上、下边带就愈难实现。而一般调制信号都具有丰富的低频成分，经过调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，要想通过一个边带而滤除另一个，要求单边带滤波器在附近具有陡峭的截止特性――即很小的过渡带，这就使得滤波器的设计与制作很困难，有时甚至难以实现。为此，实际中往往采用多级调制的办法，目的在于降低每一级的过渡带归一化值，减小实现难度。这种方法的具体实现以及“相移法”在“高频电子”中均已详细介绍，我们就不重复讲了。2.SSB信号的带宽、功率和调制效率从SSB信号调制原理图中可以清楚地看出，SSB信号的频谱是DSB信号频谱的一个边带，其带宽为DSB信号的一半，与基带信号带宽相同，即（式5-12）式中，为调制信号带宽，为调制信号的最高频率。由于仅包含一个边带，因此SSB信号的功率为DSB信号的一半，即（式5-13）显然，因SSB信号不含有载波成分，单边带幅度调制的效率也为100%。3.SSB信号的解调从SSB信号调制原理图中不难看出，SSB信号的包络不再与调制信号成正比，因此SSB信号的解调也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调，如图5-13所示图5-13SSB信号的相干解调此时，乘法器输出经低通滤波后的解调输出为（式5-14）因而可恢复调制信号。综上所述，单边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；频带宽度只有双边带的一半，频带利用率提高一倍。缺点是单边带滤波器实现难度大。§5.2.5残留边带调幅（VSB）1.残留边带信号的产生残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。在残留边带调制中，除了传送一个边带外，还保留了另外一个边带的一部分。对于具有低频及直流分量的调制信号，用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带无限陡的理想滤波器，在残留边带调制中已不再需要，这就避免了实现上的困难。用滤波法实现残留边带调制的原理图如图5-14所示。图5-14VSB信号的滤波法产生图中的为残留边带滤波器，其特性应按残留边带调制的要求来进行设计。稍后将会证明，为了保证相干解调时无失真地得到调制信号，残留边带滤波器的传输函数必须满足（式5-15）它的几何含义是，残留边带滤波器的传输函数在载频附近必须具有互补对称性。图5-15示出的是满足该条件的典型实例：残留部分上边带时滤波器的传递函数如图5-15（a）所示，残留部分下边带时滤波器的传递函数如图5-15（b）所示。图5-15残留边带滤波器特性由滤波法可知，VSB信号的频谱为（式5-16）2.残留边带信号的解调残留边带信号显然也不能简单地采用包络检波，而必须采用图5-16所示的相干解调。图5-16VSB信号的相干解调乘法器输出相应的频域表达式为将式（5-16）代入上式，得经LPF滤除上式第二项，得解调器输出由上式可知，为了保证相干解调的输出无失真地重现调制信号，必须要求在内，而这正是残留边带滤波器传输函数要求满足的互补对称条件（式5-15）。若设k=1，则由于VSB基本性能接近SSB，而VSB调制中的边带滤波器比SSB中的边带滤波器容易实现，所以VSB调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。单元八（2学时）§5.3线性调制系统的抗操声性能知识要点：系统输入信噪比系统输出信噪比信噪比增益线性调制相干解调模型DSB调制系统性能SSB调制系统性能AM调制系统性能§5.3.1通信系统抗噪声性能分析模型由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响，因而调制系统的抗噪声性能可用解调器的抗噪声性能来衡量。分析解调器抗噪性能的模型如图5-17所示。图5-17分析解调器抗噪声性能的模型图中，为已调信号；为传输过程中叠加的高斯白噪声。带通滤波器的作用是滤除已调信号频带以外的噪声。因此，经过带通滤波器后，到达解调器输入端的信号仍为，而噪声变为窄带高斯噪声。解调器可以是相干解调器或包络检波器，其输出的有用信号为，噪声为。上面，之所